JP2009043775A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置を構成する部材に厚みばらつき等が生じた場合においても、複数の半導体素子に加わる面圧を均一なものとすることができ、信頼性の高い半導体装置を提供すること。
【解決手段】 加圧プレート３３により加圧された第１、第２半導体素子１１，２１を少なくとも備える圧接型半導体装置において、第１、第２半導体素子１１，２１に、加圧力を伝えるための第１、第２プレート１４，２４と、第１、第２プレート１４，２４に、加圧力を伝えるための中間プレート３２とを有し、第１、第２プレート１４，２４が、それぞれ、第１、第２調芯手段１５，２５を介して、中間プレート３２により加圧され、かつ、中間プレート３２が、中間プレート用調芯手段３４を介して、加圧プレート３３により加圧されてなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子を金属電極材料で両面から挟み、加圧接触させた圧接型半導体装置に関するものである。

電気自動車、燃料電池自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置として、半導体装置が用いられている。

たとえば、このような半導体装置として、所定の調芯機構を介して半導体素子を加圧してなる圧接型半導体装置が知られている（特許文献１）。この特許文献１においては、調芯機構として、調芯ボールと加圧板との間に、滑り面を有する可動板を介在させることにより、一つの半導体素子に対して、加圧板による加圧力を均一に伝えるような構成となっている。

一方で、複数の半導体素子を加圧接触させてなる圧接型半導体装置においては、半導体装置を構成する部材に厚みばらつきが生じた場合や、半導体素子間で熱膨張による厚みの偏りが生じた場合には、各半導体素子に対して、加圧力（面圧）を均一に加えられないことがあった。そして、この結果として、より大きな加圧力で加圧された半導体素子に過大な面圧が加わってしまい、寿命が短くなるという問題があった。また、一方で、加圧力が不十分な半導体素子については、導通不良が発生してしまい、半導体装置として十分に機能しないという問題もあった。

特開平８−３７１９８号公報

本発明が解決しようとする課題は、半導体装置を構成する部材に厚みばらつきが生じた場合や、半導体素子間で熱膨張による厚みの偏りが生じた場合においても、複数の半導体素子に加わる面圧を均一なものとすることができ、これにより信頼性の高い半導体装置を提供することにある。

本発明は、第１半導体素子と、第２半導体素子とを少なくとも備え、これら第１半導体素子および第２半導体素子が、調芯機構を介して、加圧プレートにより加圧されてなる圧接型半導体装置に関するものである。

そして、前記調芯機構は、前記第１半導体素子に前記加圧プレートによる加圧力を伝えるための第１プレートと、前記第２半導体素子に前記加圧プレートによる加圧力を伝えるための第２プレートと、前記第１プレートおよび前記第２プレートに前記加圧プレートによる加圧力を伝えるための中間プレートと、を有し、前記第１プレートおよび前記第２プレートが、それぞれ、第１調芯手段および第２調芯手段を介して、前記中間プレートにより加圧され、かつ、前記中間プレートが、中間プレート用調芯手段を介して、前記加圧プレートにより加圧されてなるものであることを特徴とするものである。

本発明においては、第１、第２プレートと中間プレートとの間、および中間プレートと加圧プレートとの間に、それぞれ、第１、第２調芯手段、および中間プレート用調芯手段を形成している。すなわち、中間プレートが、その上下面に、それぞれ、第１、第２調芯手段と、中間プレート用調芯手段とを有する構成となっている。このため、半導体装置を構成する部材に厚みばらつきが生じた場合や、半導体素子間で熱膨張による厚みの偏りが生じた場合においても、第１、第２調芯手段、および中間プレート用調芯手段により、中間プレートが傾き、これにより、第１および第２半導体素子に加わる面圧を均一化することができる。すなわち、中間プレートが傾くことにより、一方の半導体素子にかかる荷重変化を他方の半導体素子に配分することができる。そして、その結果として、厚みばらつきが生じた結果、一方の半導体素子に過大な面圧が加わってしまい、寿命が短くなるという問題、および他方の半導体素子に加わる面圧が不十分となり導通不良が発生するという問題を有効に解決することができ、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
図１（Ａ）は本発明の半導体装置の第１実施形態を示す断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のIｂ−Iｂ線に沿う要部断面図、図２は図１（Ａ）に示す断面図において半導体素子に厚みばらつきが生じた状態を示す断面図である。

図１（Ａ）に示すように、本実施形態の半導体装置１は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）１１およびダイオード（整流素子）２１を有しており、これらの下側電極面（コレクタ電極、カソード電極）は銅（Ｃｕ）等からなる第１電極板２に半田付けにより電気的に接続されている。一方、ＩＧＢＴ１１およびダイオード２１の上側電極面（エミッタ電極、アノード電極）は、熱緩衝板１２，２２および段差吸収部材１３，２３を介して、銅等からなる第２電極板３に電気的に接続されている。

熱緩衝板１２，２２としては、導電性を有し、ＩＧＢＴ１１およびダイオード２１と他の接触部材との間の線膨張係数の差を吸収する機能を有するとともに、ＩＧＢＴ１１およびダイオード２１を構成するシリコンと線膨張係数が近いモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）が用いられる。熱緩衝板１２，２２をこのような材料で形成することにより、ＩＧＢＴ１１およびダイオード２１と、段差吸収部材１３，２３との間に発生する熱膨張差を小さくすることができる。そして、これにより、これらが互いに擦れた場合における、ＩＧＢＴ１１およびダイオード２１の損傷を低減することができる。また、段差吸収部材１３，２３としては、ＩＧＢＴ１１およびダイオード２１や熱緩衝板１２，２２等に印加される応力を緩和する機能を有する材料（たとえば、銅等）が用いられる。なお、本実施形態では、熱緩衝板１２，２２と段差吸収部材１３，２３とを別部品とする例を示したが、これらは一体の部品としてもよい。

そして、これらＩＧＢＴ１１およびダイオード２１は、絶縁層５を介して、ヒートシンク４上に配置されるとともに、樹脂ケース６，７に収容されている。ヒートシンク４は、その内部を冷媒４０が循環できるようになっており、第１電極板２から絶縁層５を介して伝達された熱が、この冷媒４０を介して外部に放熱されることとなる。なお、ヒートシンク４は、半導体装置１で発生する熱を十分に冷却できるものであれば、水冷式のものであっても、空冷式のものであってもよい。また、絶縁層５としては、ヒートシンク４による冷却効率の向上の観点から、熱伝導性の高い材料で構成することが好ましく、たとえば、シリコーンやセラミックスを基材としたシート状部材で構成してもよいし、あるいは、エポキシ樹脂をヒートシンク４上に直接貼り付けることにより形成してもよい。さらに、樹脂ケース６には、信号端子９が一体成型されており、ボンディングワイヤ８を介して、ＩＧＢＴ１１のスイッチングに必要なゲート信号を外部に取り出せるようになっている。

樹脂ケース７には、一対の突起部１６，２６が形成されており、この突起部１６，２６に一対の皿ばね１７，２７が通されることにより、ＩＧＢＴ加圧用プレート１４、ダイオード加圧用プレート２４および中間プレート３２を介して、加圧プレート３３の加圧力が、ＩＧＢＴ１１およびダイオード２１に、それぞれ加えられるようになっている。なお、一対の皿ばね１７，２７は、その中心穴を突起部１６，２６に通すことにより位置決めされており、これにより、ＩＧＢＴ１１およびダイオード２１に加わる加圧力を、それぞれ均一なものとされている。

また、加圧プレート３３は、半導体装置１全体に加圧力を伝えるための部品であり、ヒートシンク４上に形成された柱状部材３０にネジ３１によりネジ止めされることにより、半導体装置１全体に、加圧力が加えられるようになっている。

本実施形態では、図１に示すように、中間プレート３２が、中間プレート用調芯ボール３４を介して、加圧プレート３３に加圧され、さらに、ＩＧＢＴ加圧用プレート１４およびダイオード加圧用プレート２４が、それぞれＩＧＢＴ加圧用調芯ボール１５およびダイオード加圧用調芯ボール２５を介して、中間プレート３２により加圧されている。ここにおいて、中間プレート用調芯ボール３４は、中間プレート３２および加圧プレート３３の向かい合うそれぞれの面に形成された凹部に挟まれた状態で配置されている。また、同様に、ＩＧＢＴ加圧用調芯ボール１５、ダイオード加圧用調芯ボール２５も、ＩＧＢＴ加圧用プレート１４、ダイオード加圧用プレート２４および中間プレート３２の向かい合うそれぞれの面に形成された凹部に挟まれた状態で配置されている。

そして、たとえば、図２に示すように、ダイオード２１や熱緩衝板２２、段差吸収部材２３が熱膨張し、ＩＧＢＴ１１側の高さとダイオード２１側の高さとが異なる高さとなった場合において、本実施形態に係る半導体装置１は次のように作用する。すなわち、図２に示すように、ダイオード２１側の高さが高くなると、第２電極板３と樹脂ケース７が変形し、これに伴い、皿ばね２６、突起部２７およびダイオード加圧用プレート２４が押し上げられる。そして、ダイオード加圧用調芯ボール２５を介して、中間プレート３２のダイオード２１側が押し上げられる一方で、中間プレート３２のＩＧＢＴ１１側が下がり、これにより、ＩＧＢＴ加圧用プレート１４およびＩＧＢＴ１１が押し下げられることとなる。つまり、中間プレート３２は中間プレート用調芯ボール３４を支点として、図２に示すように傾くこととなる。そして、ダイオード２１側の厚みが厚くなることによりダイオード２１に加わることとなる荷重をＩＧＢＴ１１に分配することができ、この結果、ＩＧＢＴ１１に加わる面圧と、ダイオード２１に加わる面圧とを均一なものとすることができる。

なお、ＩＧＢＴ１１側の高さとダイオード２１側の高さとが異なる場合における、その原因としては、各部品の熱膨張の他、各部品の製造ばらつきやＩＧＢＴ１１、ダイオード２１の第１電極板２への半田付けした際におけるばらつきなどが挙げられる。

さらに、本実施形態では、上記に加えて、図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、加圧プレート３３による加圧方向から見た場合における、中間プレート用調芯ボール３４とＩＧＢＴ加圧用調芯ボール１５との距離をＬ１、中間プレート用調芯ボール３４とダイオード加圧用調芯ボール２５との距離をＬ２、ＩＧＢＴ１１に加わる荷重をＦ１、ダイオード２１に加わる荷重をＦ２とした場合に、Ｌ１およびＦ１の積（Ｌ１×Ｆ１）と、Ｌ２およびＦ２の積（Ｌ２×Ｆ２）とを等しい関係としている。（Ｌ１×Ｆ１）と（Ｌ２×Ｆ２）とを等しくすることにより、中間プレート用調芯ボール３４を支点とした場合における、中間プレート３２が受ける力のモーメントが、ＩＧＢＴ１１側とダイオード２１側とでつりあうこととなるため、これにより、中間プレート３２を水平に保ちながら、ＩＧＢＴ１１およびダイオード２１に均等に面圧を伝えることができる。そして、中間プレート３２を水平に保てることにより、半導体装置１の高さ方向の大きさを小さくすることができ、半導体装置１の小型化が実現できる。なお、本実施形態では、ＩＧＢＴ１１およびダイオード２１に加わる荷重Ｆ１、Ｆ２を等しいものとしているため、Ｌ１およびＬ２も等しいものとなる。

本実施形態によれば、ＩＧＢＴ１１側の部材、あるいはダイオード２１側の部材が熱膨張し、ＩＧＢＴ１１側とダイオード２１側とで高さが不均一になった場合においても、中間プレート３２が傾き、これによりＩＧＢＴ１１およびダイオード２１に加わる面圧を均一化することができる。このため、図２に示すように、ダイオード２１側の高さが高くなった場合においても、ダイオード２１に過大な面圧が加わってしまい、ダイオード２１の寿命が短くなるという問題の発生を有効に防止することができる。また、この場合において、ＩＧＢＴ１１に加わる面圧が不十分となり導通不良が発生するという問題についても有効に防止することができる。そして、これにより半導体装置１の信頼性を向上させることができる。

なお、本実施形態においては、ダイオード２１や熱緩衝板２２、段差吸収部材２３が熱膨張し、ダイオード２１側の高さが高くなる場合を例示して、その作用効果を説明したが、ＩＧＢＴ１１側の高さが高くなる場合においても、同様の作用効果が得られることはもちろんである。

《第２実施形態》
図３は本発明の半導体装置の第２実施形態を示す断面図である。本実施形態に係る半導体装置１ａは、第１実施形態に係る半導体装置１と以下に示す以外は、同様な構成と作用を有し、その重複する説明は省略する。

本実施形態に係る半導体装置１ａは、ＩＧＢＴ１１ａおよびダイオード２１ａとして、縦方向および／または横方向の大きさの異なるものを用いている点において、第１実施形態に係る半導体装置１と異なる。本実施形態では、ＩＧＢＴ１１ａおよびダイオード２１ａは、縦方向および／または横方向の大きさが異なるため、これらに対する面圧を等しくするためには、ＩＧＢＴ１１ａに加える荷重とダイオード２１ａに加える荷重とを異なるものとする必要がある。具体的には、ＩＧＢＴ１１ａに加える荷重Ｆ１を、ダイオード２１ａに加える荷重Ｆ２よりも大きくする必要があり、そのため、皿ばね１６ａとして、皿ばね２６ａよりもばね定数の大きなものを用いる必要がある。

そして、本実施形態では、ＩＧＢＴ１１ａに加える荷重Ｆ１を、ダイオード２１ａに加える荷重Ｆ２よりも大きくすることに伴い、加圧プレート３３による加圧方向から見た場合における、中間プレート用調芯ボール３４とＩＧＢＴ加圧用調芯ボール１５との距離Ｌ１を、中間プレート用調芯ボール３４とダイオード加圧用調芯ボール２５との距離Ｌ２よりも短く設定している。たとえば、ＩＧＢＴ１１ａに加える荷重Ｆ１を２０００Ｎ、Ｌ１を１０ｍｍとした場合に、ＩＧＢＴ１１ａおよびダイオード２１ａに加わる面圧を等しくするために、ダイオード２１ａに対して加えるべき荷重Ｆ２が１０００Ｎであるとすると、Ｌ２は２０ｍｍとなる。そして、これにより、Ｌ１とＦ１との積（Ｌ１×Ｆ１）と、Ｌ２とＦ２との積（Ｌ２×Ｆ２）とを等しい関係としている。すなわち、本実施形態のように、Ｌ１およびＬ２を調整することにより、ＩＧＢＴ１１ａ、ダイオード２１ａのような半導体素子としてサイズの異なるものを用いた場合においても、これらＩＧＢＴ１１ａおよびダイオード２１ａに加わる面圧を均一なものとしながら、中間プレート３２ａを水平に保つことができる。

《第３実施形態》
図４は本発明の半導体装置の第３実施形態を示す断面図、図５は図４に示す断面図において厚みばらつきが生じた状態を示す断面図である。本実施形態に係る半導体装置１ｂは、第１実施形態に係る半導体装置１と以下に示す以外は、同様な構成と作用を有し、その重複する説明は省略する。

本実施形態に係る半導体装置１ｂにおいては、図４に示すように、弾性部材としての皿ばね３５を、ＩＧＢＴ加圧用プレート１４ｂ、ダイオード加圧用プレート２４ｂの下側に配置する代わりに、中間プレート３２ｂと、加圧プレート３３ｂとの間に、皿ばね保持用部材３６で保持した形で配置している。そして、加圧プレート３３ｂからの加圧力を、皿ばね保持用部材３６および中間プレート用調芯ボール３４を介して、中間プレート３２ｂに加えられるようになっている。なお、本実施形態においては、第２実施形態と同様に、ＩＧＢＴ１１ｂおよびダイオード２１ｂとして、縦方向および／または横方向の大きさの異なるものを用いた例を示した。

そして、図５に示すように、ダイオード２１ｂや熱緩衝板２２ｂ、段差吸収部材２３ｂが熱膨張し、ＩＧＢＴ１１ｂ側の高さとダイオード２１ｂ側の高さとが異なる高さとなった場合においても、第１実施形態と同様に、中間プレート３２ｂが中間プレート用調芯ボール３４を支点として傾くこととなる。そして、第１実施形態と同様に、ダイオード２１ｂ側の厚みが厚くなることによりダイオード２１ｂに加わることとなる荷重を、ＩＧＢＴ１１ｂに分配することができ、結果として、ＩＧＢＴ１１ｂに加わる面圧と、ダイオード２１ｂに加わる面圧とを均一なものとすることができる。

本実施形態によれば、本発明に係る調芯機構を実現しながら、用いる皿ばねの数を削減することができるため、製造工程の簡略化および低コスト化が可能となる。

《第４実施形態》
図６は本発明の半導体装置の第４実施形態を示す断面図である。本実施形態に係る半導体装置１ｃは、第１実施形態に係る半導体装置１と以下に示す以外は、同様な構成と作用を有し、その重複する説明は省略する。

本実施形態に係る半導体装置１ｃにおいては、図６に示すように、調芯ボールの代わりに、中間プレート３２ｃの上面に半球状の調芯凸部３４ｃが、下面に半球状の調芯凸部１５ｃ，２５ｃが、それぞれ形成されている。そして、中間プレート３２ｃの調芯凸部３４ｃが、加圧プレート３３に形成された凹部と組み合わされており、同様に、調芯凸部１５ｃ，２５ｃが、ＩＧＢＴ加圧用プレート１４およびダイオード加圧用プレート２４に形成された凹部と組み合わされている。

本実施形態によれば、調芯ボールの代わりに、中間プレート３２ｃに半球状の調芯凹部１５ｃ，２５ｃ，３４ｃを形成することにより、本発明に係る調芯機構を実現している。このような本実施形態によれば、調芯ボールを用いないため、部品点数を削減することができ、製造工程の簡略化および低コスト化が可能となる。

なお、図６に示す半導体装置１ｃにおいては、中間プレート３２ｃに調芯凸部を形成する例を示したが、もちろん、加圧プレート３３、ＩＧＢＴ加圧用プレート１４およびダイオード加圧用プレート２４に調芯凸部を形成し、中間プレート３２ｃにこれに対応する凹部を設けて、組み合わせる構成を採用してもよい。また、加圧プレート３３、ＩＧＢＴ加圧用プレート１４およびダイオード加圧用プレート２４のうちのいずれかに調芯凸部を形成する態様を採用することも、もちろん可能である。

《第５実施形態》
図７は本発明の半導体装置の第５実施形態を示す分解斜視図、図８は第５実施形態に係る半導体装置を示す電気回路図、図９は図７のIX−IX線に沿う断面図、図１０（Ａ）は中間プレート１４１の平面図、図１０（Ｂ）は中間プレート１４１の側面図、図１０（Ｃ）は中間プレート１４１における調芯ボールの位置関係を示す図である。

本実施形態に係る半導体装置１００は、図８に示すように直流電源１６０からの電力を三相交流電源に変換し、これを交流モーター１７０に供給するための装置であり、ＩＧＢＴ１１１ａ〜１１１ｆおよびダイオード１２１ａ〜１２１ｆで構成される電力変換回路を有するものとして構成することができる。

本実施形態に係る半導体装置１００は、図７に示すように、第１実施形態に係る半導体装置１を６台結合したような形式となっており、同一の作用を有するものである。そのため、第１実施形態に係る半導体装置１と共通する部分については、適宜、その説明を省略する。

図７、図８に示すように、半導体装置１００には、６相（ＵＰ相、ＵＮ相、ＶＰ相、ＶＮ相、ＷＰ相、ＷＮ相）のそれぞれに、一対のＩＧＢＴおよびダイオード（ＩＧＢＴ１１１ａ〜１１１ｆ、ダイオード１２１ａ〜１２１ｆ）が配置されている。

そして、本実施形態に係る半導体装置１００においては、次のような構成により、図８に示す電気回路を構成している。すなわち、図７に示すように、ＵＰ相およびＵＮ相では、第２電極板１０３ａが、ＩＧＢＴ１１１ａおよびダイオード１２１ａの上側電極面（エミッタ電極、アノード電極）と、ＩＧＢＴ１１１ｂおよびダイオード１２１ｂの下側電極面（コレクタ電極、カソード電極）とを電気的に接続する一体の電極板となっている。そして、この第２電極板１０３ａが図８に示す交流モーター１７０のＵ相に接続されている。同様に、ＶＰ相およびＶＮ相では、第２電極板１０３ｃが図８に示す交流モーター１７０のＶ相に、ＷＰ相およびＷＮ相では、第２電極板１０３ｅが図８に示す交流モーター１７０のＷ相に、それぞれ接続されている。

一方、第１電極板１０２ａは、ＵＰ相、ＶＰ相、ＷＰ相の３相で一体の電極板となっており、直流電源１６０のＰ相側に接続されている。また、同様に、第１電極板１０２ｂは、ＵＮ相、ＶＮ相、ＷＮ相の３相で一体の電極板となっており、直流電源１６０のＮ相側に接続されている。

次いで、本実施形態に係る半導体装置１００の詳細な構造について、図７、図９を用いて説明する。図９は図７のIX−IX線に沿う断面図であり、具体的には、ＵＰ相およびＵＮ相を通る断面図である。この図９では、ＵＰ相およびＵＮ相を通る断面図を示しているが、ＶＰ相、ＶＮ相、ＷＰ相およびＷＮ相についてもその基本的構成態様は同様である。また、図７においては、図９に示す樹脂層１０５、樹脂ケース１０６ａ，１０７ａ，１０６ｂ，１０７ｂ、ボンディングワイヤ１０８ａ，１０８ｂ、および信号端子１０９ａ，１０９ｂの図示を省略している。

図９に示すように、ＵＰ相を構成するＩＧＢＴ１１１ａ、ダイオード１２１ａは、下側電極面（コレクタ電極、カソード電極）が、第１電極板１０２ａに半田付けにより電気的に接続されており、上側電極面（エミッタ電極、アノード電極）が、熱緩衝板１１２ａ，１２２ａおよび段差吸収部材１１３ａ，１２３ａを介して、第２電極板１０３に電気的に接続されている。一方で、ＵＮ相を構成するＩＧＢＴ１１１ｂ、ダイオード１２１ｂは、下側電極面（コレクタ電極、カソード電極）が、ＵＰ相と共通の第２電極板１０３に半田付けにより電気的に接続されており、上側電極面（エミッタ電極、アノード電極）が、熱緩衝板１１２ｂ，１２２ｂおよび段差吸収部材１１３ｂ，１２３ｂを介して、第１電極板１０２ｂに電気的に接続されている。

ＵＰ相を構成するＩＧＢＴ１１１ａ、ダイオード１２１ａ、およびＵＮ相を構成するＩＧＢＴ１１１ｂ、ダイオード１２１ｂは、絶縁層１０５を介して、ヒートシンク１０４上に配置されるとともに、それぞれ樹脂ケース１０６ａ，１０７ａおよび１０６ｂ，１０７ｂに収容されている。そして、樹脂ケース１０６ａ，１０６ｂには信号端子１０９ａ，１０９ｂが一体成型されており、それぞれボンディングワイヤ１０８ａ，１０８ｂを介して、ＩＧＢＴ１１１ａ，１１１ｂのスイッチングに必要なゲート信号を外部に取り出せるようになっている。

本実施形態では、ＵＰ相側の樹脂ケース１０７ａ上のＩＧＢＴ１１１ａおよびダイオード１２１ａに対応する部分に、ＩＧＢＴ加圧用プレート１１４ａおよびダイオード加圧用プレート１２４ａが配置され、これらは、ＩＧＢＴ加圧用調芯ボール１１５ａおよびダイオード加圧用調芯ボール１２５ａを介して、ＵＰ相用加圧プレート１３２ａにより加圧されるようになっている。そして、ＵＰ相用加圧プレート１３２ａにより加えられた加圧力が、ＩＧＢＴ１１１ａおよびダイオード１２１ａに加わるようになっている。

また、同様に、ＵＮ相においても、ＵＮ相側の樹脂ケース１０７ｂ上のＩＧＢＴ１１１ｂおよびダイオード１２１ｂに対応する部分に、ＩＧＢＴ加圧用プレート１１４ｂおよびダイオード加圧用プレート１２４ｂが配置され、ＩＧＢＴ加圧用調芯ボール１１５ｂおよびダイオード加圧用調芯ボール１２５ｂを介して、ＵＮ相用加圧プレート１３２ｂにより加圧されるようになっている。さらには、図７に示すように、ＶＮ相においても、同様にＶＮ相用加圧プレート１３２ｄにより、ＩＧＢＴ１１１ｄおよびダイオード１２１ｄが加圧されるようになっている。

そして、これらＵＰ相用加圧プレート１３２ａ、ＵＮ相用加圧プレート１３２ｂ、およびＶＮ相用加圧プレート１３２ｄは、それぞれＵＰ相用調芯ボール１３４ａ、ＵＮ相用調芯ボール１３４ｂ、およびＶＮ相用調芯ボール１３４ｄを介して、平面三角形状の中間プレート１４１により加圧されている。

さらには、中間プレート１４１は、中間プレート用調芯ボール１４３を介して、上側プレート１４５に加圧されており、この上側プレート１４５が、上側プレート用調芯ボール１４６を介して、皿ばね１４７および皿ばね保持用部材１４８により、加圧されることにより、加圧プレート１３３による加圧力が、伝えられるようになっている。なお、加圧プレート１３３は、ヒートシンク１０４上に形成された４個の柱状部材１３０にネジ３１によりネジ止めされ、これにより半導体装置１００全体を加圧できるようになっている。

本実施形態では、上記にて説明したＵＰ相、ＵＮ相、ＶＮ相以外の３相（ＶＰ相、ＷＰ相、ＷＮ相）についても、これらＵＰ相、ＵＮ相、ＶＮ相と同様の構成となっている。すなわち、図７に示すように、これらＶＰ相、ＷＰ相、ＷＮ相についても、これらの各相を構成する各ＩＧＢＴ１１１ｃ，１１１ｅ，１１１ｆおよび各ダイオード１２１ｃ，１２１ｅ，１２１ｆを加圧するための中間プレート１４２が配置されている。そして、この中間プレート１４２が、上述したＵＰ相、ＵＮ相、ＶＮ相に係る中間プレート１４１と同様に、中間プレート用調芯ボール１４４を介して、上側プレート１４５により加圧されるようになっている。

本実施形態においては、ＵＰ相、ＵＮ相、ＶＮ相を加圧するための中間プレート１４１は、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）に示すように、平面三角形状となっている。具体的には、中間プレート１４１には、その平面に、上側プレート１４５による加圧力を伝えるための中間プレート用調芯ボール１４３が配置され、一方、その底面には、ＵＰ相、ＵＮ相、ＶＮ相を加圧するための各調芯ボール１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｄが三角形の各頂点付近に配置される。

そして、本実施形態では、図１０（Ｃ）に示すように、中間プレート用調芯ボール１４３が配置される位置を点Ｇとし、ＵＰ相、ＵＮ相、ＶＮ相を加圧するための各調芯ボール１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｄが配置される位置を点Ａ，Ｂ，Ｃとした場合に、点Ｇが、各点Ａ，Ｂ，Ｃの荷重重心となるように設定されている。すなわち、それぞれの各調芯ボール１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｄに加わる荷重をＦ１、Ｆ２、Ｆ３とした場合に、加圧プレート１３３による加圧方向から見た場合に、各点Ａ，Ｂ，Ｃで形成される三角形に対して、図１０（Ｃ）の点Ｇで示される位置が荷重重心となる。

このように、中間プレート１４１における中間プレート用調芯ボール１４３の配置位置を、各調芯ボール１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｄの配置位置の荷重重心とすることで、熱膨張等により、たとえば、ＵＰ相の高さがＵＮ相、ＶＮ相の高さと比較して高くなった場合でも次のような作用を奏する。すなわち、ＵＰ相の高さが高くなることにより、ＵＰ相側が高くなるように中間プレート１４１が傾き、中間プレート用調芯ボール１４３の高さも上昇することとなる。しかし、その一方で、中間プレート用調芯ボール１４３は、各調芯ボール１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｄの荷重重心に配置されているため、ＵＰ相に係る調芯ボール１３４ａだけに荷重変動が集中することなく、ＵＮ相、ＶＮ相に係る調芯ボール１３４ｂ，１３４ｄに荷重変動を分担されることとなる。よって、これにより、ＵＰ相、ＵＮ相、ＶＮ相の３相での面圧ばらつきを抑えることができる。そして、結果として、ＵＰ相側の高さが高くなった場合においても、ＵＰ相を構成するＩＧＢＴ１１１ａおよびダイオード１２１ａに過大な面圧が加わってしまい、これらの寿命が短くなるという問題の発生を有効に防止することができる。また、この場合において、ＵＮ相、ＶＮ相を構成するＩＧＢＴ１１１ｂ，１１１ｄ、ダイオード１２１ｂ，１２１ｄに加わる面圧が不十分となり導通不良が発生するという問題についても有効に防止することができる。そして、これにより半導体装置１００の信頼性を向上させることができる。

なお、上記においては、ＵＰ相側の高さが高くなる場合を例示して、その作用効果を説明したが、ＵＮ相側、ＶＮ相側の高さが高くなる場合においても、同様の作用効果が得られることはもちろんである。また、上記においては、中間プレート１４１を例示して示したが、中間プレート１４２についても、もちろん同様である。

加えて、図７に示すように、本実施形態では、これら中間プレート１４１，１４２は、それぞれ中間プレート用調芯ボール１４３，１４４を介して、上側プレート１４５により加圧されており、さらに、上側プレート１４５は、上側プレート用調芯ボール１４６を介して、皿ばね保持用部材１４８に加圧されている。このため、中間プレート１４１，１４２の受ける荷重にばらつきが生じた場合においても、上側プレート１４５が、上側プレート用調芯ボール１４６を支点に傾くことにより、荷重ばらつきを緩和することができる。

また、本実施形態によれば、各相内におけるばらつき、たとえば、ＵＰ相内における、ＩＧＢＴ１１１ａ側の高さとダイオード１２１ａ側の高さとのばらつきが生じた場合においても、ＵＰ相用調芯ボール１３４ａ、ＩＧＢＴ加圧用調芯ボール１１５ａ、およびダイオード加圧用調芯ボール１２５ａの作用により、第１実施形態と同様にして、荷重ばらつきを緩和することも可能である。

さらに、本実施形態では、中間プレート１４１，１４２として、上記した平面三角形状のプレートを用い、３点間の荷重を調整するという構成を採用しているため、２点間の荷重を調整するという構成を採用した場合と比較して、中間プレート１４１，１４２等の調芯用に用いるプレートの数を減らすことができ、これにより、半導体装置１００の小型化を図ることができる。また、部品点数を低減することができる。

本実施形態においては、１個の皿ばね１４７を加圧プレート１３３と上側プレート１４５との間に配置する例を示したが、たとえば、２個の皿ばねを上側プレート１４５と中間プレート１４１，１４２との間に配置してもよい。あるいは、６個の皿ばねを中間プレート１４１，１４２と各相用加圧プレートとの間に配置してもよいし、さらには、１２個の皿ばねを各相用加圧プレートと、各ＩＧＢＴ加圧用プレートおよびダイオード加圧用プレートとの間に配置してもよい。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

実施例１
まず、本発明に係る半導体装置として、図１（Ａ）に示す半導体装置１を準備した。そして、各値を以下のように設定した。

皿ばね１７のばね定数ｋ１：１０００Ｎ／ｍｍ
皿ばね２７のばね定数ｋ２：１０００Ｎ／ｍｍ
調芯ボール１５，３４間距離Ｌ１：１０ｍｍ
調芯ボール２５，３４間距離Ｌ１：１０ｍｍ
ＩＧＢＴ１１側の荷重Ｆ１：２０００Ｎ
ダイオード２１側の荷重Ｆ２：２０００Ｎ
ＩＧＢＴ１１の圧接面積Ｓ１：２００ｍｍ^２
ダイオード２１の圧接面積Ｓ２：２００ｍｍ^２
なお、ＩＧＢＴ１１の圧接面積Ｓ１およびダイオード２１の圧接面積Ｓ２は、ＩＧＢＴ１１およびダイオード２１を、熱緩衝板１２，２２で圧接する面積であり、図１（Ａ）からも確認できるように、それぞれ熱緩衝板１２，２２の下面の面積に等しくなっている。

そして、図１（Ａ）に示す半導体装置１において、段差吸収部材の高さばらつきΔＺが０．２ｍｍとなるような段差吸収部材を使用し、段差吸収部材の高さばらつきΔＺが生じた場合における、ＩＧＢＴ１１側およびダイオード２１側の面圧を測定した。なお、段差吸収部材の高さばらつきΔＺは、段差吸収部材１３，２３の高さの差であり、本実施例では、ダイオード２１側の段差吸収部材２３の高さが高くなるように設定した。結果を図１３にグラフ化して示す。

比較例１
半導体装置として、図１１に示す半導体装置１ｄを用いた以外は、実施例１と同様の条件にて、ＩＧＢＴ１１側およびダイオード２１側の面圧を測定した。図１１に示す半導体装置１ｄは、ＩＧＢＴ加圧用プレート１４、ダイオード加圧用プレート２４、中間プレート３２、各調芯ボール１４，２５，３４を用いない構造とした以外は、図１（Ａ）に示す半導体装置１と同様の構成を有するものである。結果を図１３にグラフ化して示す。

評価１
図１３から明らかなように、本発明の実施例１においては、ＩＧＢＴ側およびダイオード側ともに、面圧が１０．５ＭＰａと等しくなる結果となった。この実施例１においては、図２に示すように、中間プレート３２が傾くことにより、段差吸収部材の高さばらつきΔＺ＝０．２ｍｍを、二つの皿ばね１７，２７で吸収することができる。具体的には、これら皿ばね１７，２７が０．１ｍｍずつ圧縮され、荷重がそれぞれ１００Ｎずつ均等に増加することとなる。

一方、本発明所定の調芯構造を有しない比較例１においては、段差吸収部材の高さばらつきΔＺが生じると、図１２に示すように、皿ばね２６のみ０．２ｍｍ（＝ΔＺ）圧縮され、これにより、皿ばね２６の荷重のみが２００Ｎ増加することとなる。そして、その結果として、図１３に示すように、ＩＧＢＴ側の面圧とダイオード側の面圧とが異なることとなり、半導体装置として信頼性に劣る（ダイオードの寿命が短くなるとともに、ＩＧＢＴの接触不良が発生する。）ものとなる。

実施例２
まず、本発明に係る半導体装置として、図４に示す半導体装置１ｂを準備した。そして、各値を以下のように設定した。

皿ばね３５のばね定数ｋ：３０００Ｎ／ｍｍ
調芯ボール１５ｂ，３４間距離Ｌ１：１０ｍｍ
調芯ボール２５ｂ，３４間距離Ｌ１：２０ｍｍ
ＩＧＢＴ１１ｂ側の荷重Ｆ１：２０００Ｎ
ダイオード２１ｂ側の荷重Ｆ２：１０００Ｎ
ＩＧＢＴ１１ｂの圧接面積Ｓ１：２００ｍｍ^２
ダイオード２１ｂの圧接面積Ｓ２：１００ｍｍ^２
なお、ＩＧＢＴ１１ｂの圧接面積Ｓ１およびダイオード２１ｂの圧接面積Ｓ２は、ＩＧＢＴ１１ｂおよびダイオード２１ｂを、熱緩衝板１２ｂ，２２ｂで圧接する面積であり、図４からも確認できるように、それぞれ熱緩衝板１２ｂ，２２ｂの下面の面積に等しくなっている。

そして、図４に示す半導体装置１ｂにおいて、段差吸収部材の高さばらつきΔＺが０．３ｍｍとなるような段差吸収部材を使用し、段差吸収部材の高さばらつきΔＺが生じた場合における、ＩＧＢＴ１１ｂ側およびダイオード２１ｂ側の面圧を測定した。なお、段差吸収部材の高さばらつきΔＺは、段差吸収部材１３，２３の高さの差であり、本実施例では、ダイオード２１ｂ側の段差吸収部材２３ｂの高さが高くなるように設定した。結果を図１５にグラフ化して示す。

比較例２
半導体装置として、図１４に示す半導体装置１ｅを用い、皿ばね１６ｅのばね定数ｋ１を２０００Ｎ、皿ばね２６ｅのばね定数ｋ２を１０００Ｎとした以外は、実施例１と同様の条件にて、ＩＧＢＴ１１ｂ側およびダイオード２１ｂ側の面圧を測定した。図１１に示す半導体装置１ｅは、ＩＧＢＴ加圧用プレート１４ｂ、ダイオード加圧用プレート２４ｂ、中間プレート３２ｂ、各調芯ボール１４ｂ，２５ｂ，３４を用いず、さらに、皿ばねの数を２つとし、それぞれ、ＩＧＢＴ加圧用の皿ばね１６ｅおよびダイオード加圧用の皿ばね２６ｅとした以外は、図４に示す半導体装置１ｂと同様の構成を有するものである。結果を図１５にグラフ化して示す。

評価２
図１５から明らかなように、本発明の実施例２においては、ＩＧＢＴ側およびダイオード側ともに、面圧が１１ＭＰａと等しくなる結果となった。この実施例１においては、図５に示すように、中間プレート３２ｂが傾き、これにより段差吸収部材の高さばらつきΔＺ＝０．３ｍｍに対して、中間プレート用調芯ボール３４および皿ばね保持用部材３６の押し上げられる量は、０．１ｍｍ〔＝Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）〕となり、皿ばね３５にかかる荷重は３００Ｎ増加する。そして、中間プレート用調芯ボール３４および中間プレート３２に加わる力のモーメントのつりあいより、ＩＧＢＴ１１ｂ側の荷重が２００Ｎ増加して２２００Ｎとなり、ダイオード２１ｂ側の荷重が１００Ｎ増加して１１００Ｎとなる。すなわち、段差吸収部材の高さばらつきΔＺを、ＩＧＢＴ１１ｂ側およびダイオード２１ｂ側に分散することができ、これにより、これらにかかる面圧は１１ＭＰａで等しくなる。

一方、本発明所定の調芯構造を有しない比較例２においては、段差吸収部材の高さばらつきΔＺが生じると、比較例１における図１２と同様に、ダイオード２１ｂ側の皿ばね２６ｅのみ０．３ｍｍ（＝ΔＺ）圧縮され、これにより、皿ばね２６ｅの荷重のみが３００Ｎ増加することとなる。そして、その結果として、図１５に示すように、ＩＧＢＴ側の面圧とダイオード側の面圧とが異なることとなり、半導体装置として信頼性に劣る（ダイオードの寿命が短くなるとともに、ＩＧＢＴの接触不良が発生する。）ものとなる。

（Ａ）は本発明の半導体装置の第１実施形態を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）のIｂ−Iｂ線に沿う要部断面図である。 図１（Ａ）に示す断面図において厚みばらつきが生じた状態を示す断面図である。 本発明の半導体装置の第２実施形態を示す断面図である。 本発明の半導体装置の第３実施形態を示す断面図である。 図４に示す断面図において厚みばらつきが生じた状態を示す断面図である。 本発明の半導体装置の第４実施形態を示す断面図である。 本発明の半導体装置の第５実施形態を示す分解斜視図である。 第５実施形態に係る半導体装置を示す電気回路図である。 図７のIX−IX線に沿う断面図である。 （Ａ）は中間プレート１４１の平面図、（Ｂ）は中間プレート１４１の側面図、（Ｃ）は中間プレート１４１における調芯ボールの位置関係を示す図である。 比較例に係る半導体装置を示す断面図である。 図１１に示す断面図において厚みばらつきが生じた状態を示す断面図である。 実施例１および比較例１における、ＩＧＢＴ側およびダイオード側の面圧を示すグラフである。 比較例に係る半導体装置を示す断面図である。 実施例２および比較例２における、ＩＧＢＴ側およびダイオード側の面圧を示すグラフである。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１００…半導体装置
１１，１１ａ，１１ｂ，１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ，１１１ｅ，１１１ｆ…ＩＧＢＴ
２１，２１ａ，２１ｂ，１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄ，１２１ｅ，１２１ｆ…ダイオード
２，１０２ａ，１０２ｂ…第１電極板
３，１０３ａ，１０３ｃ，１０３ｅ…第２電極板
４，１０４…ヒートシンク
６，７，７ａ，７ｂ，１０６ａ，１０６ｂ，１０７ａ，１０７ｂ…樹脂ケース
１４，１４ａ，１４ｂ，１１４ａ，１１４ｂ…ＩＧＢＴ加圧用プレート
１５，１１５ａ，１１５ｂ…ＩＧＢＴ加圧用調芯ボール
１５ｃ…調芯凸部
１６，１６ａ，２６，２６ａ…突起部
１７，１７ａ，２７，２７ａ，３５，１４７…皿ばね
２４，２４ａ，２４ｂ，１２４ａ，１２４ｂ…ダイオード加圧用プレート
２５，１２５ａ，１２５ｂ…ダイオード加圧用調芯ボール
２５ｃ…調芯凸部
３２，３２ａ，３２ｂ，１４１，１４２…中間プレート
３３，３３ｂ，１３３…加圧プレート
３４，１４３，１４４…中間プレート用調芯ボール
３４ｃ…調芯凸部

Claims (10)

1. 第１半導体素子と、第２半導体素子とを少なくとも備える圧接型半導体装置であって、
   前記第１半導体素子および前記第２半導体素子は、調芯機構を介して、加圧プレートにより加圧されており、
   前記調芯機構は、
   前記第１半導体素子に、前記加圧プレートによる加圧力を伝えるための第１プレートと、
   前記第２半導体素子に、前記加圧プレートによる加圧力を伝えるための第２プレートと、
   前記第１プレートおよび前記第２プレートに、前記加圧プレートによる加圧力を伝えるための中間プレートと、を有し、
   前記第１プレートおよび前記第２プレートが、それぞれ、第１調芯手段および第２調芯手段を介して、前記中間プレートにより加圧され、かつ、
   前記中間プレートが、中間プレート用調芯手段を介して、前記加圧プレートにより加圧されてなるものである圧接型半導体装置。
2. 前記加圧プレートによる加圧方向から見た場合における、前記中間プレート用調芯手段と前記第１調芯手段との間の距離をＬ１、前記中間プレート用調芯手段と前記第２調芯手段との間の距離をＬ２とし、
   前記第１半導体素子に加わる荷重をＦ１、前記第２半導体素子に加わる荷重をＦ２とした場合に、
   Ｌ１およびＦ１の積（Ｌ１×Ｆ１）と、Ｌ２およびＦ２の積（Ｌ２×Ｆ２）とが等しい関係である請求項１に記載の圧接型半導体装置。
3. 前記第１半導体素子と前記第１プレートとの間には第１弾性部材が、前記第２半導体素子と前記第２プレートとの間には第２弾性部材が、それぞれ配置されている請求項１または２に記載の圧接型半導体装置。
4. 前記中間プレートと前記加圧プレートとの間には、弾性部材およびこれを保持するための弾性部材保持用プレートが配置されており、
   前記中間プレートは、前記中間プレート用調芯手段を介して、前記弾性部材保持用プレートに加圧されることにより、前記加圧プレートによる加圧力が伝えられている請求項１または２に記載の圧接型半導体装置。
5. 各前記調芯手段は、各前記プレートの向かい合う各面にそれぞれ形成された凹部に、調芯ボールを挟むことにより形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の圧接型半導体装置。
6. 各前記調芯手段は、向かい合う各前記プレートのうちいずれか一方に形成された凹部に、他方に形成された半球状の凸部を組み合わせることにより形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の圧接型半導体装置。
7. 複数の半導体素子を備える圧接型半導体装置であって、
   複数の前記半導体素子は、調芯機構を介して、加圧プレートにより加圧されており、
   前記調芯機構は、
   各前記半導体素子に、前記加圧プレートによる加圧力を伝えるための第１プレート、第２プレートおよび第３プレートと、
   前記第１プレート、第２プレートおよび第３プレートに、前記加圧プレートによる加圧力を伝えるための中間プレートと、を有し、
   前記第１プレート、第２プレートおよび第３プレートが、それぞれ、第１調芯手段、第２調芯手段および第３調芯手段を介して、前記中間プレートにより加圧され、かつ、
   前記中間プレートが、中間プレート用調芯手段を介して、前記中間プレートに前記加圧プレートからの加圧力を伝えるための第４プレートにより加圧されてなるものであり、
   前記調芯機構の前記中間プレート用調芯手段が、第１調芯手段、第２調芯手段および第３調芯手段の形成位置がなす三角形の荷重重心に位置することを特徴とする圧接型半導体装置。
8. 前記第１プレート、第２プレートおよび第３プレートは、それぞれ一対の半導体素子加圧用プレートを介して、一対の半導体素子を加圧しており、
   一対の前記半導体素子加圧用プレートは、一対の半導体素子用調芯手段を介して、前記第１プレート、第２プレートおよび第３プレートにより、それぞれ加圧される請求項７に記載の圧接型半導体装置。
9. 前記圧接型半導体装置は、各前記プレートおよび各前記調芯手段を有する前記調芯機構を２つ有しており、各前記調芯機構における各前記中間プレートが、各前記中間プレート用調芯機構を介して、前記第４プレートにより加圧されている請求項７または８に記載の圧接型半導体装置。
10. 前記第４プレートと前記加圧プレートとの間には、弾性部材およびこれを保持するための弾性部材保持用プレートが配置されており、
    前記第４プレートは、第４調芯手段を介して、前記弾性部材保持用プレートにより加圧されている請求項９に記載の圧接型半導体装置。

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